Nghiên cứu xây dựng thuật toán điều khiển dự báo phi tập trung cho một lớp đối tượng phi tuyến (Luận án tiến sĩ)

Nghiên cứu xây dựng thuật toán điều khiển dự báo phi tập trung cho một lớp đối tượng phi tuyến (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu xây dựng thuật toán điều khiển dự báo phi tập trung cho một lớp đối tượng phi tuyến (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu xây dựng thuật toán điều khiển dự báo phi tập trung cho một lớp đối tượng phi tuyến (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu xây dựng thuật toán điều khiển dự báo phi tập trung cho một lớp đối tượng phi tuyến (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu xây dựng thuật toán điều khiển dự báo phi tập trung cho một lớp đối tượng phi tuyến (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu xây dựng thuật toán điều khiển dự báo phi tập trung cho một lớp đối tượng phi tuyến (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu xây dựng thuật toán điều khiển dự báo phi tập trung cho một lớp đối tượng phi tuyến (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu xây dựng thuật toán điều khiển dự báo phi tập trung cho một lớp đối tượng phi tuyến (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu xây dựng thuật toán điều khiển dự báo phi tập trung cho một lớp đối tượng phi tuyến (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu xây dựng thuật toán điều khiển dự báo phi tập trung cho một lớp đối tượng phi tuyến (Luận án tiến sĩ)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM VĂN HÙNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO PHI TẬP TRUNG CHO MỘT LỚP ĐỐI TƯỢNG PHI TUYẾN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA HÀ NỘI – 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Phạm Văn Hùng NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO PHI TẬP TRUNG CHO MỘT LỚP ĐỐI TƯỢNG PHI TUYẾN Ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS HỒNG MINH SƠN HÀ NỘI – 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi, kết nghiên cứu trình bày luận án trung thực, khách quan chưa tác giả khác công bố Hà Nội, Ngày 13 tháng 04 năm 2018 Người hướng dẫn khoa học Tác giả luận án PGS TS Hoàng Minh Sơn Phạm Văn Hùng MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT i DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ ii MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO PHI TẬP TRUNG 1.1 Điều khiển dự báo dựa mô hình trạng thái 1.1.1 Bài tốn điều khiển dự báo tuyến tính phi tuyến 1.1.2 Tính ổn định hệ điều khiển dự báo 1.2 Tổng quan thuật tốn tính ổn định hệ điều khiển dự báo phi tập trung 14 KẾT LUẬN CHƯƠNG 21 CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO PHI TẬP TRUNG DỰA TRÊN MƠ HÌNH TUYẾN TÍNH 23 2.1 Bộ điều khiển dự báo phi tập trung dựa mơ hình tuyến tính 23 2.2 Điều khiển phi tập trung dựa mơ hình tuyến tính hệ phản ứng/tách hệ nồi hơi-tuabin 34 2.2.1 Điều khiển dự báo phi tập trung hệ phản ứng/tách 34 2.2.2 Điều khiển dự báo phi tập trung dựa mơ hình tuyến tính hệ nồi hơituabin 40 KẾT LUẬN CHƯƠNG CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO PHI TẬP TRUNG HỆ PHI TUYẾN 46 47 3.1 Điều khiển dự báo phi tập trung sử dụng mơ hình LTI tuyến tính hóa đoạn 47 3.1.1 Mơ hình trạng thái tuyến tính hóa đoạn LTI 49 3.1.2 Thiết kế điều khiển 50 3.1.3 Thuật tốn điều khiển 52 3.1.4 Tính ổn định hệ điều khiển dự báo phi tập trung hệ phi tuyến 55 3.1.5 Điều khiển ổn định hệ nồi – tuabin 56 3.1.6 Thuật toán điều khiển dự báo phi tập trung sử dụng mơ hình LTI tuyến tính hóa đoạn cho tốn bám 62 3.2 Điều khiển dự báo phi tập trung dựa mơ hình phi tuyến giả LPV 78 3.2.1 Mơ hình nội suy đầu LPV 79 3.2.2 Thiết kế điều khiển 81 3.2.3 Điều khiển phi tập trung hệ nồi hơi-tuabin dựa mơ hình LPV 83 KẾT LUẬN CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 88 90 Kết luận 90 Kiến nghị 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO 92 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 98 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT Danh mục ký hiệu xk Độ lớn vector xk xk Chuẩn vô vector xk col ( x1, x , , xn ) Vector cột có phần tử vector x1, x 2, , xn diag (A1, A2 , , An ) Ma trận đường chéo có phần tử đường chéo ma trận vng kích cỡ A1, A2, , An 0m´n In Ma trận không m hàng, n cột Ma trận đơn vị cỡ n (n hàng, n cột) Chuyển vị ( ) (.) T ¶f ¶x hof K K∞ L Đạo hàm Jacobi f theo x Hàm hợp h f , tức h ( f (.) ) Lớp hàm thực a : ¡ ³0 ® ¡ ³0 liên tục đơn điệu tăng a ( ) = Lớp hàm thực a (t ) Ỵ K không bị chặn Lớp hàm thực d : ¡ ³0 ® ¡ ³0 đơn điệu giảm lim d (t ) = t đƠ KL Lp cỏc hàm thực liên tục b (r , s) : ¡ Ă đ Ă vi b (,ì s) ẻ K v b (r , ì) ẻ L Danh mục từ viết tắt DMPC ISS LMI LTI LPV MPC NMPC Decentralized model predictive control Input-to-state stability Linear matrix inequality Linear time-invariant Linear parameter-varying Model predictive control Nonlinear model predictive control i DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ Danh mục bảng biểu Bảng 2-1 Các biến trình hệ phản ứng/tách 35 Bảng 2-2 Bảng thông số vận hành hệ phản ứng/tách [71] 36 Bảng 2-3 Điểm làm việc hệ thống nồi hơi-tuabin [4] 41 Bảng 3-1 So sánh số tiêu kỹ thuật sử thuật toán DMPCd DLMPC điều khiển hệ nồi - tuabin 60 Bảng 3-2 So sánh số tiêu kỹ thuật sử thuật toán DMPC2d, DMPCd DLMPC điều khiển hệ nồi - tuabin 67 Bảng 3-3 So sánh số tiêu kỹ thuật sử thuật toán DMPC2d, DMPCd, DLMPC MPC_LTI điều khiển hệ nồi - tuabin 73 Bảng 3-4 So sánh số tiêu kỹ thuật sử thuật toán DMPC2d, DMPCd, DLMPC, MPC_LTI NMPC điều khiển hệ nồi – tuabin 78 Bảng 3-5 So sánh số tiêu kỹ thuật sử thuật toán DMPC_LTI DMPCLPV điều khiển hệ nồi - tuabin 88 Danh mục hình vẽ Hnh 1-1 Minh họa MPC thời điểm tk Hnh 1-2 Minh họa cấu trúc điều khiển phi tập trung với điều khiển cục độc lập 15 Hnh 1-3 Minh họa cấu trúc điều khiển phi tập trung với điều khiển cục có trao đổi thông tin với 16 Hnh 1-4 Minh họa cấu trúc DMPC gồm điều khiển dự báo cục thực tính tốn tối ưu sử dụng thông tin từ điều khiển dự báo khác [13] 19 Hnh 1-5 Minh họa cấu trúc DMPC gồm điều khiển dự báo cục thực tính tốn tối ưu song song sử dụng thông tin từ điều khiển dự báo khác [13] 20 Hnh 2-1 Minh họa tương tác trình i = 1,2, , M q trình j ¹ i hệ điều khiển dự báo phi tập trung dựa mơ hình tuyến tính 23 Hnh 2-2 Một q trình phản ứng/tách tiêu biểu [70] 34 Hnh 2-3 Đáp ứng hệ thống phản ứng/tách nhiễu thay đổi 38 Hnh 2-4 Đáp ứng hệ phản ứng/tách thay đổi giá trị ràng buộc 39 Hnh 2-5 Đáp ứng hệ phản ứng/tách thay đổi trọng số hàm mục tiêu 39 Hnh 2-6 Sơ đồ minh họa hệ nồi hơi-tuabin [5] 40 Hnh 2-7 Các biến vào/ra mơ hình nồi hơi-tuabin [6] 41 Hnh 2-8 Đáp ứng hệ thống nồi với thuật toán điều khiển dự báo phi tập trung dự mơ hình tuyến tính điểm làm việc 90% 44 ii Hnh 2-9 Đáp ứng hệ thống tuabin với thuật toán điều khiển dự báo phi tập trung dựa mơ hình tuyến tính điểm làm việc 90% 44 Hnh 2-10 Tín hiệu điều khiển hệ nồi – tuabin với thuật toán điều khiển dự báo phi tập trung dựa mơ hình tuyến tính điểm làm việc 90% 45 Hnh 3-1 Minh họa tương tác trình i = 1,2, , M trình j ¹ i hệ phi tuyến sử dụng mơ hình LTI tuyến tính hóa đoạn 47 Hnh 3-2 Đáp ứng đầu hệ nồi với thuật tốn DMPCd sử dụng mơ hình LTI tuyến tính hóa đoạn có dự báo nhiễu 58 Hnh 3-3 Đáp ứng đầu hệ tuabin với thuật toán DMPCd sử dụng mơ hình LTI tuyến tính hóa đoạn có dự báo nhiễu 58 Hnh 3-4 Tín hiệu điều khiển hệ nồi tuabin với thuật tốn DMPCd sử dụng mơ hình LTI tuyến tính hóa đoạn có dự báo nhiễu 59 Hnh 3-5 So sánh đáp ứng đầu hệ nồi hơi-tuabin với thuật toán DMPCd sử dụng mơ hình LTI tuyến tính hóa đoạn có dự báo nhiễu thuật tốn điều khiển dự báo phi tập trung dựa mơ hình tuyến tính (DLMPC) 59 Hnh 3-6 Đáp ứng đầu hệ nồi với thuật toán DMPC sử dụng mơ hình LTI tuyến tính hóa đoạn có nhiễu đầu (OD: đường chấm gạch) 5% giá trị đặt 61 Hnh 3-7 Đáp ứng đầu hệ tuabin với thuật toán DMPC sử dụng mơ hình LTI tuyến tính hóa đoạn có nhiễu đầu 5% giá trị đặt 61 Hnh 3-8 Minh họa tư tưởng xây dựng mơ hình dự báo chứa thành phần tích phân 63 Hnh 3-9 Đáp ứng đầu hệ nồi với thuật toán DMPC sử dụng mơ hình LTI tuyến tính hóa đoạn cho toán bám 66 Hnh 3-10 Đáp ứng đầu hệ tuabin với thuật tốn DMPC sử dụng mơ hình LTI tuyến tính hóa đoạn cho tốn bám 66 Hnh 3-11 Tín hiệu điều khiển hệ nồi tuabin với thuật toán DMPC sử dụng mơ hình LTI tuyến tính hóa đoạn cho toán bám 67 Hnh 3-12 Đáp ứng đầu hệ nồi với thuật tốn DMPC sử dụng mơ hình LTI tuyến tính hóa đoạn cho tốn bám nhiễu đầu 5% giá trị đặt 68 Hnh 3-13 Đáp ứng đầu hệ tuabin với thuật toán DMPC sử dụng mơ hình LTI tuyến tính hóa đoạn cho toán bám nhiễu đầu 5% giá trị đặt 68 Hnh 3-14 Tín hiệu điều khiển hệ nồi tuabin với thuật toán DMPC sử dụng mơ hình LTI tuyến tính hóa đoạn cho tốn bám có nhiễu đầu 5% giá trị đặt 69 Hnh 3-15 Đáp ứng đầu hệ nồi với huật toán DMPC sử dụng mơ hình LTI tuyến tính hóa đoạn cho toán bám nhiễu đầu 20% giá trị đặt 69 Hnh 3-16 Đáp ứng đầu hệ tuabin với thuật toán DMPC sử dụng mơ hình LTI tuyến tính hóa đoạn cho tốn bám có nhiễu đầu 20% giá trị đặt 70 iii Hnh 3-17 Tín hiệu điều khiển hệ nồi tuabin với thuật tốn DMPC sử dụng mơ hình LTI tuyến tính hóa đoạn cho tốn bám có nhiễu đầu 20% giá trị đặt 70 Hnh 3-18 Đáp ứng đầu hệ nồi sử dụng thuật tốn DMPC sử dụng mơ hình LTI tuyến tính hóa đoạn cho tốn bám có nhiễu đầu biến đổi chậm 71 Hnh 3-19 Đáp ứng đầu hệ tuabin với thuật tốn DMPC sử dụng mơ hình LTI tuyến tính hóa đoạn cho tốn bám có nhiễu đầu biến đổi chậm 71 Hnh 3-20 So sánh đáp ứng đầu nồi theo thuật toán điều khiển phi tập trung sử dụng mơ hình LTI tuyến tính hóa đoạn có dự báo nhiễu, khơng dự báo nhiễu thuật toán điều khiển tập trung LTI 72 Hnh 3-21 So sánh đáp ứng đầu tuabin theo thuật tốn điều khiển phi tập trung sử dụng mơ hình LTI tuyến tính hóa đoạn có dự báo nhiễu, khơng dự báo nhiễu thuật tốn điều khiển tập trung LTI 73 Hnh 3-22 Đáp ứng hệ thống nồi – tuabin với điều khiển dự báo tập trung hệ phi tuyến Pf = 2Q 76 Hnh 3-23 Đáp ứng hệ thống nồi – tuabin với điều khiển dự báo tập trung hệ phi tuyến Pf = 20Q 77 Hnh 3-24 Đáp ứng hệ thống nồi – tuabin với điều khiển dự báo tập trung hệ phi tuyến Pf = 50Q 77 Hnh 3-25 Minh họa tương tác trình i = 1,2, , M q trình l ¹ i hệ điều khiển dự báo phi tập trung hệ phi tuyến dựa mơ hình LPV 80 Hnh 3-26 Đáp ứng đầu nồi với thuật toán điều khiển phi tập trung dựa mơ hình LPV 85 Hnh 3-27 Đáp ứng đầu tuabin với thuật toán điều khiển phi tập trung dựa mơ hình LPV 85 Hnh 3-28 Tín hiệu điều khiển nồi tuabin với thuật toán điều khiển phi tập trung dựa mơ hình LPV 86 Hnh 3-29 So sánh đáp ứng đầu nồi sử dụng điều khiển phi tập trung dựa mơ hình LPV (DMPC-LPV: đường gạch đứt) dựa mơ hình tuyến tính LTI (DMPC-LTI: đường nét liền) 86 Hnh 3-30 So sánh đáp ứng đầu tuabin sử dụng điều khiển phi tập trung dựa mơ hình LPV dựa mơ hình tuyến tính LTI 87 Hnh 3-31 Tín hiệu điều khiển hệ nồi tuabin sử dụng điều khiển phi tập trung dựa mơ hình LPV dựa mơ hình tuyến tính LTI 87 iv MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Điều khiển dự báo với khả điều khiển hệ thống nhiều vào/nhiều ra, có động học từ đơn giản đến phức tạp điều kiện ràng buộc tín hiệu điều khiển ràng buộc đầu ra, có nhiều cơng trình nghiên cứu nhiều phương diện có nhiều ứng dụng lĩnh vực cơng nghiệp [7, 21, 25, 47, 48, 52] Tuy nhiên, số lượng biến vào/ra tăng lên, kéo theo khó khăn giải toán tối ưu ảnh hưởng tới tính thời gian thực hệ thống khối lượng tính tốn tăng theo cấp số mũ, vấn đề điều khiển tin cậy bền vững, giới hạn truyền thông [13, 22, 31, 35, 55, 56, 64] Điều khiển dự báo phi tập trung (decentralized model predictive control, DMPC) hứa hẹn khắc phục hạn chế điều khiển dự báo tập trung cho trình lớn Đặc biệt với trình mà thân cấu trúc gồm trình có nhiễu có tương tác với dạng tương tác trạng thái hay tương tác vào/ra, điều khiển dự báo phi tập trung giúp giảm phức tạp, mức độ tương tác hệ nhiễu trễ trình xử lý riêng mà khơng ảnh hưởng trực tiếp đến q trình khác, từ giúp giảm chi phí thiết kế đưa vào vận hành Hệ điều khiển dự báo phi tập trung gồm nhiều điều khiển dự báo cục thiết kế để điều khiển trình hệ Các điều khiển dự báo cục điều khiển độc lập có trao đổi thơng tin với để điều khiển hệ thống Trong đó, hệ điều khiển dự báo phi tập trung gồm điều khiển cục độc lập thường thiết kế với giả thiết tương tác trình yếu, đồng thời coi tương tác nhiễu bù đảm bảo tính ổn định hệ sử dụng kết ổn định điều khiển dự báo tập trung [3, 9, 39, 46, 49, 63] Tuy nhiên, chất lượng hệ điều khiển dự báo phi tập trung mà điều khiển khơng có trao đổi thơng tin với nhiều bị hạn chế thiếu thơng tin hữu ích tương tác q trình [14] Cho đến có nhiều nghiên cứu hệ điều khiển dự báo phi tập trung gồm điều khiển dự báo có trao đổi thông tin với [8, 22, 29, 31, 35, 55, 56, 65, 69] chủ yếu tập trung vào phát triển thuật tốn dựa mơ hình tuyến tính Vấn đề điều khiển dự báo phi tập trung hệ phi tuyến xét đến ảnh hưởng nhiễu, phát triển thuật toán điều khiển dự báo phi tập trung cho hệ thống gồm nhiều hệ có tương tác với nhau, nhằm giảm khối lượng tính toán đảm ... Văn Hùng NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO PHI TẬP TRUNG CHO MỘT LỚP ĐỐI TƯỢNG PHI TUYẾN Ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN... HỆ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO PHI TẬP TRUNG 1.1 Điều khiển dự báo dựa mơ hình trạng thái 1.1.1 Bài toán điều khiển dự báo tuyến tính phi tuyến 1.1.2 Tính ổn định hệ điều khiển dự báo 1.2 Tổng quan thuật. .. định hệ điều khiển dự báo phi tập trung 14 KẾT LUẬN CHƯƠNG 21 CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO PHI TẬP TRUNG DỰA TRÊN MƠ HÌNH TUYẾN TÍNH 23 2.1 Bộ điều khiển dự báo phi tập trung dựa mơ hình tuyến tính